[发明专利]用纤维材料加强的热稳定聚晶超硬材料

说明书

背景技术

本发明涉及热稳定超硬材料，更特别地涉及用纤维材料加强以改进韧性的热稳定聚晶超硬材料，并涉及形成所述材料的方法。已知聚晶金刚石材料具有良好的耐磨性和硬度，并且常用于切割工具和岩石钻具中。为形成聚晶金刚石，将金刚石颗粒在高温高压下烧结(HPHT烧结)，以生成超硬聚晶结构。将催化剂材料——如钴或另一种金属——在烧结前添加到金刚石颗粒混合物中，并且/或者在烧结期间渗透至金刚石颗粒混合物中，用来促进在HPHT烧结期间金刚石晶体的交互生长，以形成聚晶金刚石(PCD)结构。常规用作所述催化剂的金属选自位于元素周期表第八族的溶剂型金属催化剂(solvent metal catalyst)(包括钴、铁和镍)以及它们的组合和合金。在HPHT烧结后，所得到的PCD结构包含彼此结合的相互连接的金刚石晶体或颗粒的网络，其中催化剂材料占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔隙。可将所述金刚石颗粒混合物在存在基体的情况下进行HPHT烧结，以形成结合至基体的PCD压实体(compact)。所述基体也可以充当烧结期间渗透进入所述金刚石颗粒混合物的金属催化剂的一个来源。

用于形成所述PCD体的催化剂材料的量表现了在期望的强度、韧性和耐冲击性相对于硬度、耐磨性和热稳定性之间的折衷。尽管较高的金属催化剂含量通常提高所得PCD体的强度、韧性和耐冲击性，但是该较高的金属催化剂含量也降低了PCD体的硬度和耐磨性及热稳定性。这种折衷方案导致难以提供具有期望水平的硬度、耐磨性、热稳定性、强度、耐冲击性和韧性的PCD来满足特定应用，如用于地下钻井装置中的切割且/或磨损元件中的应用的使用需求。

在磨损或切割操作期间热稳定性是特别相关的。当在切割和/磨损应用期间暴露于升高的温度时，常规的PCD体可能容易发生热降解。这一弱点源自间隙地分布在PCD体中的溶剂型金属催化剂的热膨胀特性和晶间结合的金刚石的热膨胀特性之间所存在的差异。已知该热膨胀差异从温度低至400℃开始，并且可能导致热应力，所述热应力对金刚石的晶间结合是有害的并最终导致裂缝的形成，所述裂缝可能使PCD结构容易断裂。因此，不希望出现上述行为。

另一种形式的已知存在于常规PCD材料中的热降解也与PCD体的间隙区域中溶剂型金属催化剂的存在和溶剂型金属催化剂与金刚石晶体的粘附相关。特别地，已知溶剂型金属催化剂随着温度的增加而引起金刚石中的不期望的催化的相变(将其转化为一氧化碳、二氧化碳、或石墨)，从而限制了可使用PCD体的温度。

为改进PCD材料的热稳定性，可以将催化剂材料在烧结后从PCD体内移除。这种热稳定PCD材料(有时称为TSP)通过以下方式形成：首先通过在存在溶剂型金属催化剂的情况下HPHT烧结金刚石颗粒，来形成其中催化剂占据金刚石晶体之间的间隙区域的PCD体。然后，将催化剂材料从PCD体内移除，从而留下位于金刚石晶体之间的空的间隙空间的网络结构。例如，一种已知的方法是通过对烧结的PCD结构进行沥滤处理而从烧结的PCD的至少一部分中移除大部分的催化剂材料，这形成了大体上不含催化剂材料的热稳定性材料部分。如果在HPHT烧结期间使用了基体，则常将其在沥滤之前移除。

为了提供一种更加热稳定的超硬金刚石体，已在不使用催化剂材料的情况下通过以下方式形成一种无粘合剂的聚晶金刚石：在超高的温度和压力下将石墨直接转化为金刚石。所得金刚石材料具有均一的晶间金刚石微观结构，其中在金刚石晶体之间没有散布催化剂材料。因此，无粘合剂金刚石体不受金刚石和催化剂之间的热膨胀差异之害。

但是，尽管该无粘合剂金刚石体在升高的温度下具有高硬度和高耐磨性，但预计它展现低的断裂韧性，以致于使得所述材料易碎且在使用期间易崩刃、裂纹和破裂。

因此，仍然需要一种包含热稳定超硬金刚石体的切割元件，以提供在升高的温度下的韧性和耐磨性。

发明内容

提供该发明内容以对下面将在具体实施方式中进行进一步描述的一系列经选择的构思进行介绍。该发明内容并非意在标识出所要求保护主题的关键特征或必要特征，其也并非意在用于帮助限制所要求保护主题的范围。